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Guias e Dicas
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Pssc 0 - livro de física - guia de laboratório III, Manuais, Projetos, Pesquisas de Matemática

PSSC - LIVRO DE FÍSICA - GUIA DE LABORATÓRIO 3

Tipologia: Manuais, Projetos, Pesquisas

2011

Compartilhado em 03/09/2011

elaine-christina-5
elaine-christina-5 🇧🇷

4.7

(216)

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Baixe Pssc 0 - livro de física - guia de laboratório III e outras Manuais, Projetos, Pesquisas em PDF para Matemática, somente na Docsity! GUIA DE LABORATÓRIO PARTE HI HI — 1. Uma Variante da Experiência de Ga- lileu. Galileu afirmou que um objeto, movendo-se horizontalmente, continuaria animado dêste mo- vimento, indefinidamente, com velocidade cons- tante (Texto, Seção 20-2). Apoiava esta afir- mativa nas observações que fêz de que um objeto é acelerado quando desce e é retardado quando sobe um plano inclinado, atingindo aproximadamente a mesma altura na qual se encontrava quando do início do movimento. Experiência análoga pode ser feita com um pên- dulo, observando-se a descida do corpo de um lado da oscilação e sua ascensão do outro lado, Pendure um pêndulo, de aproximadamente 3 m de comprimento, no teto ou num suporte adequado. Fixe, por meio de uma pinça, um ponto do fio situado 40 ou 50 em acima do corpo suspenso, de forma que a oscilação se dê em tôrno dêste ponto e não do ponto de sus- pensão no teto. (Fig. 1). Leve o pêndulo para um lado, de modo que êle fique a uma deter- minada distância d acima do nível mais baixo de sua trajetória. Faça-o oscilar. Compare as distâncias percorridas de um e de outro lado da posição mais baixa, Compare o nível mais alto atingido após soltá-lo com a altura a partir da qual foi largado. Em seguida, ao invés de deixar o pêndulo efetuar a oscilação completa normalmente, intercale um obstáculo e afaste o pêndulo da posição de equilíbrio de modo que êle efetue a primeira metade da oscilação, a partir do obstáculo e a segunda a partir da pinça (Fig. 2). Que prevê você sôbre (a) a distância horizontal que o pêndulo percorrerá quando largado, (b) o nível que alcançará? Expe- rimente-o. Repita êsse procedimento variando a posição da pinça. Determine a altura atingida na extre- midade da oscilação e meça, aproximadamente, a distância a partir da posição central, Faça di- versas medidas, para cada comprimento do pêndulo. Certifique-se de que êste parte sempre da mesma posição. A partir de seus dados, pode você fazer uma idéia acêrca da altura e da distância horizontal que o pêndulo alcançaria, abandonado do mesmo ponto, se tivesse 10, 50, ou milhares de metros de comprimento? GUIA DE LABORATÓRIO 161 164 GUIA DE LABORATÓRIO ques”. Analise sômente a porção da fita que corresponde à parte da corrida na qual você está apreciavelmente seguro de que aplicou uma fórça constante. Usando quatro tijolos no carrinho e a mesma alça de borracha, obtenha outra fita com mar- cas. Represente os resultados desta fita no papel em que fêz o gráfico anterior. Que conclui você relativamente à aceleração produzida por uma fôrça constante? A fôrça exercida por você é a única fôrça que age sôbre o carrinho? Quando você acelerou uma massa maior, a aceleração foi maior ou menor? HI — 3, Como Depende a Aceleração da Fôrça e da Massa. A variação na velocidade de um objeto é pro- porcional ao intervalo de tempo durante o qual uma fôrça constante exerce sôbre êle sua ação. Em outras palavras, uma fôrça uniforme produz uma aceleração constante, Isto foi constatado na experiência anterior, Investigaremos, agora, quantitativamente, como fôrças diferentes ace- leram uma certa massa, e como uma dada fôrça acelera massas diversas, Aceleração produzida por fórças diferentes. Empregando uma, duas, três e quatro alças de borracha (Fig. 1, Experiência TII-2) para produzir a fôrça aceleradora, obtenha fitas com marcas do movimento do carrinho carregado com quatro tijolos. Determine a aceleração a partir das fitas, e faça um gráfico da aceleração em função da fôrça, isto é, do número de alças. Como sabemos, a partir da experiência ante- rior, que, para uma fôrça constante, a acele- ração é uniforme, não é necessário calcular a aceleração para um grande número de inter- valos diferentes, na mesma corrida. Para com- preender isso, considere um corpo que parte do repouso com aceleração constante a. Durante o tempo t, êle percorre uma distância d forne- cida por d = — af? Consegiientemente, a'= 2d 2 — . Se as várias carreiras levam o mesmo tt tempo, a aceleração em cada caso é, portanto, proporcional à distância percorrida. Meça, em cada uma de suas fitas, a distância percorrida a partir do repouso, no mesmo intervalo de tempo. Para o intervalo de tempo determinado, considere um número de tiques que fornecerão uma distância suficientemente grande para pos- sibilitar resultados precisos. (Não utilize uma distância demasiadamente grande, de forma a incluir a zona correspondente à última parte do movimento, quando é difícil manter a fôrça constante). Que conclui você de seu gráfico? Que pode você dizer, nesta parte da experiência, sôbre a relação entre a fôrça e a aceleração? Se não houvesse atrito no aparelho, passaria a curva pela origem? Onde, em relação à origem, passaria a curva na sua opinião? O efeito da massa sôbre a aceleração produzida por uma fórça constante Usando uma alça de borracha, determine a aceleração do carrinho carregado com dois, três e quatro tijolos. Faça um gráfico representando a relação entre a fôrça e a aceleração, em função do número de tijolos. Que conclui de seu gráfico? Tem você pontos suficientes no gráfico, de forma que êle seja convincente? Se dispuser de tempo, experimente acelerar com um e, depois, com cinco tijolos, e represente êstes resultados em seu gráfico. Considerando o gráfico, pode você obter a massa do carrinho vazio em função da massa dos tijolos? Usando o aparelho, como determinaria você, a massa de um bloco de chumbo de uma pedra pesada? Experimente-o, HI — 4, Massa inercial e Gravitacional. A Fig. 5 mostra a balança de inércia, que é um dispositivo simples destinado a medir a mas- sa inercial de diferentes objetos. A frequência de sua vibração horizontal depende da massa inercial dos objetos colocados na balança, Coloque, na plataforma, quantidades diferen- tes de matéria, e verifique, qualitativamente, os períodos de vibração destas massas. Para maio- res massas, é o período maior ou menor? Afas- tando a plataforma lateralmente, cêrca de 2 cm, é abandonando-a, compare as acelerações das diversas massas. O que você observa parece estar em concordância com a lei do movimento de Newton? A partir de um gráfico representativo do pe- ríodo em função da massa, estabeleça a relação quantitativa entre a quantidade de matéria na balança e o período de vibração. Você pode fa- zê-lo do seguinte modo: Determine, inicialmente, o período da balança descarregada, medindo o tempo de tantas vi- brações quantas você puder contar convenien- temente. É difícil contar as vibrações olhando diretamente para elas, pois o período da balança é muito curto. Mantenha um pequeno pedaço de papel perto de uma das lâminas de serra, 6 conte as batidas ouvidas quando a lâmina atin- ge o papel. Você, talvez, ache mais fácil contar grupos de três ou quatro vibrações. Escolha seis objetos, práticamente iguais, seis presilhas, por exemplo, que representarão mas- sas unitárias. Meça, então, o período da balança carregada com cada uma das seis presilhas (Fig. 6). Quantas vibrações deve você crono- metrar, e durante quantos segundos precisa fa- zê-lo, para estar seguro de que seu êrro não é maior que aproximadamente 2%? Em que por- enaçei têm as presilhas massas inerciais iguais? Determine, então, os. períodos, com uma, duas, três ..... unidades de massa na balança e, a partir dêstes dados, represente graficamente o período em função da massa (número de pre- silhas) na balança, Meça o período de um objeto de massa des- conhecida, de natureza e forma diferentes — uma pedra, por exemplo. Valendo-se das pre- silhas como unidade de massa, determine a massa inercial da pedra. Determine, então, por pesagem comum, a massa gravitacional, em gramas, de cada uma das presilhas. Em que GUIA DE LABORATÓRIO 165 Fig. 5 Fig. 6 porcentagem têm elas a mesma massa gravita- cional? A partir de suas medidas anteriores, tente predizer o valor da massa gravitacional da pedra, Teste-o, pesando a pedra. Está o va- lor que você previu dentro do êrro experimen- tal avaliado para sua balança de inércia? Que concluíria você, relativamente à massa gravitacional e inercial, se obtivesse, com outros objetos, resultados semelhantes? São elas iguais? Proporcionais? Independentes? Devem as uni- dades de massa inercial ser as mesmas que exprimem massa gravitacional? Como se modi- ficariam os resultados desta experiência se ela fôsse realizada na Lua? Para verificar, experimentalmente, se a gra- vidade participa ou não do funcionamento da balança de inércia, carregue-a com um cilindro de ferro. Isto pode ser feito, passando um fio | 166 GUIA DE LABORATÓRIO de arame pelo orifício central do cilindro, e colo- cando-o na abertura da plataforma. O cilindro se apoia, pois, na plataforma, Meça o período da balança carregada. Suspenda, então, um pouco o cilindro, de forma que sua massa não mais se apoie na pla- taforma, e mantenha-o nesta posição por meio de um fio comprido prêso a um suporte (Fig: 7). Compare os períodos nestes dois casos? O período seria diferente se a balança de inércia fósse montada como indica a Fig. 8? Como poderia ser usado êste dispositivo para medir a aceleração de um automóvel? MIs=:5 Fórças Exercidas sôbre uma Bola no Espaço. A Fig. 9 é uma fotografia de múltipla expo- sição do movimento de um projétil. Fotogra- fou-se o movimento de uma pequena bola, lan- cada ao ar, num ângulo de 27º com a horizotal. O intervalo de tempo entre as exposições suces- sivas foi de 1/30 s, deslocando-se a bola, na fi- ura, da esquerda para direita. A trajetória da bola se assemelha aquela descrita na seção 21-3 do livro de texto. Examine a fotografia, É constante a velocidade horizontal da bola? Que pode você concluir em relação à fórça resultante que atua sôbre a bola, se a velocidade horizontal não é constante? Se analisarmos a fotografia detalhadamente, e verificarmos as variações de velocidade pro- Fig. f duzidas pela fôrça resultante, conheceremos melhor as fôrças que atuam sôbre a bola, do que através de um exame superficial da fo- tografia. Analise da seguinte maneira as variações de velocidade que ocorrem durante sucessivos inter- valos de tempo de 0,1 s (três intervalos na fo- tografia): Prenda, com um elipe, no alto da fotografia, uma folha de papel milimetrado transparente e assinale o centro de cada ima- gem. Trace retas ligando cada terceiro ponto, Estas linhas representam o deslocamento da bola durante cada 0,1 s, e constituem, portanto, uma medida das velocidades médias durante êstes intervalos iguais de tempo. Para determi- nar as variações de velocidade em cada um dêstes intervalos, podemos adicionar o valor negativo de um vetor velocidade ao vetor ve- 169 GUIA DE LABORATÓRIO Fig ll — 6. Fôrça Centripeta. O movimento circular com velocidade cons- tante em módulo constitui um movimento ace- lerado; embora o módulo da velocidade perma- neça o mesmo, a ão do vetor dire velocidade varia continuamente (Texto, Seção 6-6). Sa- bemos, pela lei de Newton, que é necessária uma fôrça para manter esta aceleração. Como se relaciona esta fôrça com a velocidade do objeto, sua massa e o raio do círculo? Para responder a estas questões, usaremos o aparelho simples indicado na Fig. 13, o qual nos possibilita medir a fôrça, enquanto exami- namos o movimento. Quando o tubo de vidro é movido num pequeno círculo, acima de sua ca- beça, a rôlha de borracha se movimenta em 12 volta. num círculo horizontal, na extremidade de um fio que é passado pelo tubo e ligado a algumas arruelas suspensas na extremidade infe. rior. A fôrça da gravidade nestas arruelas, agin- do ao longo do fio, fornece a fôrça horizontal necessária para manter a rôlha movimentando-se num círculo. Esta fôrça horizontal é denomi- nada fórça centrípeta. Com uma arruela sômente na extremidade do fio, para impedir que a rôlha escape, gire esta rápidamente acima de sua cabe sgurando, também, o fio abaixo do tubo, Necessita você mentar a fórça sôbre o fio, quando aumenta a velocidade da rôlha? Que acontece se você deixa de segurar o fio? Verifique, agora, quantitativamente, a depen- dência entre a fôrça aceleradora e a velocidade, 170 cura DE LABORATÓRIO Tubo de vidro com cêrca de 9 mm de diômetro externo, aproximadamente 15 cm de comprimento e extremidades alisadas ao fogo, Por segu- rança, envolva o tubo com duas camadas de fita ade- siva Arruelas de ferro de cêrca de 6 gramas cada. & 4 — rólha de borracha com 2 orifícios Fio de nylon fortemente trancado, do tipo usado pelos pescadores, com cêrca de 1,5 m de comprimento. “Jacaré” indicador do des- locamento do fio para cima ou para baixo através do tubo, Maneira de prender o fio à rólha, Dobre o clip para prender as arruelas que podem ser acrescentadas ou removidas passando-se o clip através delas. Fig. 13 a massa, e o raio. Descubra, inicialmente, como a fórça depende da velocidade mantendo cons- tantes a massa e o raio. Puxe o fio através do tubo, de modo que a rolha gire num círculo de aproximadamente 100 em de taio, Prenda ao fio um terminal “ja- caré”, logo abaixo do tubo, o qual, servindo como um índice, permitirá que você mantenha o raio constante, enquanto gira a rôlha. Man- tenha suspensas seis ou mais arruelas na extre- midade do fio. Para determinar a frequência de revolução da'rôlha, peça a seu companheiro que meça o tempo, enquanto você gira a rôlha e conta o número de revoluções. Calcule o período e a frequência, É — 1/T, a partir do tempo e do número de voltas, Repita a experiência com um número maior de arruelas, Represente graficamente o período do movi- mento em função do número de arruelas. Pode você imaginar um modo mais conveniente de representar seus dados? Experimente represen- tar graficamente a frequência, em vez do pe- ríodo. Tente 2. Qual é a relação de dependên- cia entre a fórça centrípeta e a frequência, man- tendo-se constantes a massa e o raio? Para verificar a dependência entre a fôrça centrípeta e a massa girante, você pode colo- car duas rôlhas na extremidade do fio. Que espera encontrar? Em que baseia sua suposição? E mais difícil investigar experimentalmente a dependência entre a fórça centrípeta e o raio, quando a ea e a massa permanecem constantes. Pode você sugerir um modo de fa- zélo? Qual é a relação de dependência entre a fórça centrípeta e a massa, o raio e a fre- quência” Você observará que, enquanto a rólha gira, a porção do fio compreendida entre o tubo e a rôlha não fica perfeitamente horizontal, A fôrça avitacional exercida sôbre a rólha, puxa-a para aixo. Pode você perceber por que êste efeito da fôrça gravitacional não modifica a relação entre a fórça (medida em número de arruelas), o comprimento do fio entre o tubo e a róôlha, e a frequência de revolução? HI — 7. Lei das Áreas Iguais. Kepler descobriu que os planêtas seguem trajetórias elíticas, e que uma linha reta imagi- nária, traçada do Sol a um planêta, varreria áreas iguais em intervalos iguais de tempo, Não podemos realizar experiências com os planêtas, mas podemos experimentar com um pêndulo animado de movimento elítico. A extremidade de um pêndulo que oseile num pequeno arco, move-se de um lado para outro, ao longo de uma linha aproximadamente ho- rizontal. Quando um pêndulo dêste tipo é impul- sionado lateralmente, sua extremidade descreve uma elipse. Você descobrirá, nesta experiência, se a extremidade do pêndulo varre, também, áreas iguais em intervalos iguais de tempo. O pêndulo é, também, nosso aparelho medi- dor de tempo. Consta êle de um copo cônico de papel, cheio de areia fina (ou sal), suspenso à extremidade de um fio. Uma pequena abertura no fundo do copo permite a vazão a uma taxa razoavelmente constante, Quando o copo oscila numa elipse, a massa de areia depositada em qualquer arco da elipse, será proporcional ao tempo que leva o copo para percorrer o arco. Cada pedaço de papel disposto ao longo do trajeto do copo, coletará, portanto, uma massa GUIA DE LABORATÓRIO 171 de areia proporcional ao tempo necessário para o copo passar sôbre êste papel (Fig. 14). e uma grande folha de papel debaixo do pêndulo, centralizada em relação à posição de repouso do pêndulo. Marque no papel a posição de repouso. Ensaie diversas oscilações, usando o copo carregado de areia e estando ve- dado o orifício de seu fundo, para obter a órbita aproximada, antes da oscilação definitiva. Co- loque, então, pedacinhos de papel em volta da órbita, como indica a figura. Faça o pêndulo descrever sua órbita novamente, estando de- sobturado o orifício. Por que é uma boa idéia fazer com que o copo descreva várias voltas completas? Folha grande de papel Fig. 14 LABORATÓRIO GUIA DE 4 1 176 cuia DE LABORATÓRIO Wl — 8. Variações da Quantidade de Movimento numa Explosão. Dois carrinhos são impelidos para longe um do outro, a partir do repouso, em consequência da ação, entre êles, de uma fôrça súbita — uma “explosão”. Como se modificam as quantidades de movimento dos carrinhos? Para aplicar a fórça súbita, usamos uma mola que comprimimos e, inopinadamente, descom- primimos (Fig. 20). Solte a mola estando o car- Para tornar esta experiência quantitativa, ne- cessitamos medir as velocidades e as massas dos dois carrinhos, Não precisamos, entretanto, to- nhecer suas velocidades em metros por segundo; qualquer unidade servirá. Pode-se determinar suas velocidades em têrmos das distâncias per- corridas por ambos os carrinhos durante o mesmo intervalo de tempu. Suponha que fa- zemos os carrinhos partir exatamente do meio da distância compreendida entre dois aparado- res de madeira, e que éles se movimentam com Fig. 20 rinho em repouso. Que observa você? Experi- mente-o com diferentes cargas no carrinho, Que conclui você acérca da componente horizontal da quantidade de movimento do carrinho, antes e depois da explosão? Coloque um segundo carrinho encostado ao primeiro, de forma que a mola o empurre, quando se distender. Que acontece, agora, quando você solta a mola? Faça esta experiên- cia com várias cargas nos carrinhos, Que diria você, qualitativamente, sôbre as velocidades dos dois carrinhos, quando você os carrega com massas diferentes? Que acha você da relação entre as quantidades de movimento dos dois carrinhos depois da “explosão”? igual velocidade. Ouviremos somente um som porque êles atingem os aparadores ao mesmo tempo. Se um déles se movimentar mais rápi- damente do que o outro, alcançará antes a extremidade, e ouviremos dois ruídos distintos, ao invés de um. Podemos, entretanto, deslocar o ponto de partida, de forma que o carrinho mais rápido tenha que percorrer uma distância maior, antes de alcançar o aparador. Podemos determi- nar, depois de algumas tentativas, uma posição a partir da qual ambos os carrinhos levarão o mesmo tempo para se deslocar até os apara- dores. As distâncias percorridas pelos carrinhos, a partir das posições de repouso, são indicadas, Para determinar as velocidades das esferas, valer-nos-emos do que aprendemos sôbre o mo- vimento dos projéteis (veja Cap. 21, Se- ção 21-8). Sabemos que objetos projetados da extremidade de uma mesa, com diferentes velo- cidades horizontais, levam o mesmo tempo para chegar ao solo, Desprezando a resistência do ar, a componente horizontal da velocidade dêsses objetos permanece constante, e, portanto, a dis- tância que éles percorrem horizontalmente é proporcional a sua velocidade horizontal. Po- de-se aproveitar êste fato para medir as veloci- dades das esferas após elas terem colidido. “Para dar velocidade inicial a uma das esferas, faça-a rolar ao longo de uma régua com cana- leta (Fig. 23). A esfera a ser atingida repousa Fig. 23 sóbre uma ligeira depressão na extremidade de um parafuso. Coloque o parafuso diretamente no trajeto da esfera incidente, à distância de um raio da extremidade da régua. Regule a altura do parafuso, de forma que a esfera incidente passe ligeiramente acima do tópo do parafuso ao rolar ao longo da rampa, a partir de deter- mindo ponto sôbre a régua (25 em constitui uma boa escolha). GUIA DE LABORATÓRIO 179 Determine, então, usando o fio de prumo, o ponto, no chão, diretamente abaixo do parafuso, Junte, com fita adesiva, quatro folhas de pa- pel de seda ou papel vegetal, de forma a ter uma única fôlha grande. Certifique-se de que as fólhas não se superpõem. Faça o mesmo com quatro fólhas de papel carbono. Coloque o pa- pel carbono no chão, com o lado do carbono para cima, e o papel vegetal sôbre êle; ponha pesos sôbre o papel para mantê-lo no lugar. O prumo deve cair sôbre a metade do lado mais curto do papel (Fig. 24); marque êste ponto, Faça a esfera de aço rolar pela régua, a partir Esfera incidente Esfera alvo Papel tino Papel carbono Fig. 24 100 cuia DE LABORATÓRIO da marca de 25 cm, dez ou quinze vêzes, e trace um círculo em tôrno da distribuição dos pontos obtidos sôbre o papel. Até que ponto é a velocidade inicial sempre a mesma? Se colocarmos, agora, no parafuso, a esfera a ser atingida, e fizermos rolar uma outra esfera ao longo da rampa, as colisões ocorrerão antes que a esfera incidente esteja sôbre o parafuso. A esfera incidente, retardada pela colisão, sal- tará, então, da extremidade da rampa. Para impedir isto, precisamos colocar a esfera-alvo mais longe da rampa, A posição exata da esfera alvo depende do tipo de colisão que desejamos (mais ou menos excêntrica). Para uma colisão frontal, o parafuso que sustenta a esfera-alvo estará a três raios da rampa [Fig. 25 (a)J e à altura na qual você o ajustou anteriormente, (Percebe por quê?). Para uma colisão leve, o parafuso deve estar a uma distância ligeiramente maior que um raio a partir da rampa [Fig. 25 (b)]. Tais colisões são pouco frequentes e, por esta razão, convencionalmente, colocamos o parafuso a cêrca de 2,5 raios a partir da rampa [Fig. 25 (c)]. Marque o ponto no papel diretamente abaixo desta nova posição do parafuso, Tendo equi librado uma bola de aço no parafuso, tente várias colisões, fazendo rolar a bola incidente da marca de 25 cm na régua. A fim de modifi- car o ponto de colisão, desloque o parafuso de (a) Esfera incidente pigs ” N, Pego / N—+» Ei Ta ; iu 24 atubiteotalotu No, 2? H m=—3R Sra Esfera alho pas R (b) Fig, 25 uma pequena distância, paralela à extremidade da rampa. Um círculo numerado em volta de cada impacto no papel e de cada ponto de par- tida da bola-alvo, ajudá-lo-ão a identificar as diversas marcas no papel. Desenhe no papel os vetores que representam as velocidades das bolas depois da colisão. A posição da bola incidente no momento do impa- cto pode ser determinada com o auxílio da Fig. 26. Uma vez que as massas das bolas são iguais, os vetores velocidade representam as quantida- des de movimento das bolas. Adicione gráfica- mente, no seu papel, os dois vetores quantidade de movimento, colocando a origem do vetor quantidade de movimento da bola alvo na extremidade do vetor quantidade de movimento da bola incidente. Compare o vetor soma das duas quantidades de movimento finais com a quantidade de mo- vimento inicial da bola incidente, É a quanti- dade de movimento conservada nestas intera- ções? Compare a soma aritmética dos dois mó- dulos das quantidades de movimento depois da colisão com o módulo da quantidade de movi- mento inicial da bola incidente. Repita a experiência, usando duas esferas de massas desiguais, mas de mesmo tamanho. Qual delas usaria você como esfera incidente? Com- pare o vetor soma das velocidades finais com a velocidade inicial. Como pode você converter os vetores velocidade em vetores quantidade de movimento, neste caso, em que as massas das duas esferas não são iguais? Compare o vetor soma das quantidades de movimento finais com a quantidade de movimento inicial. Compare entre si as componentes das quan- tidades de movimento finais das duas bolas, segundo uma direção em ângulo reto com a quantidade de movimento inicial. Que verifica você? Para cada colisão que envolve massas iguais, calcule o quadrado das velocidades antes e de- pois da colisão. Compare-os. Sugere isto que algo mais, além da quantidade de movimento, permanece constante? Faça os mesmos cálculos GUIA DE LABORATÓRIO 181 para as colisões de massas desiguais. Permanece constante o quadrado “das velocidades? Para massas desiguais, multiplique os quadrados das velocidades pelas massas respectivas e con- fronte os valôres obtidos. Na sua opinião, o que mais permanece constante além da quantidade de movimento? Trajetória da estera alvo Posição da esfera alvo antes da colisão Trajetória da esfera incidente Posição da estera incidente no momento da colisão Para a rampa | Fig. 26 HI — 11. Colisões Lentas. Nas experiências já realizadas, o tempo du-. rante o qual se davam as colisões era tão curto, que era impossível examinar, detalhadamente, como as velocidades se modificavam durante as colisões. Você pode analisar apenas as mudan- ças finais. Na presente experiência, você estu- dará, qualitativamente, colisões muito lentas entre dois carrinhos, e descobrirá o que acontece enquanto êles estão interagindo. Você usará dois carrinhos carregados e equi- pados com molas aparadoras “macias” (Fig. 27), e examinará uma interação semelhante à descri- ta no Cap. 24, Seção 24-5. A fôrça de inte- ração, naquele caso, era zero quando a sepa- ração era maior que a distância d, e era cons-. tante quando a separação era menor que d. Com 184 GUIA DE LABORATÓRIO da massa? Como você explica isto? Como po- deria você testar sua explicação? º a Se dispuser de tempo, faça um gráfico da so- ma das duas energias potenciais em função da distensão da mola. Que pode você deduzir dêste gráfico? HI — 13. A Energia de um Pêndulo Simples. Num pêndulo em oscilação, a energia cinética é transformada em energia potencial e vice- versa. Podemos investigar esta transformação usando uma fita de registrar tempo, présa a um pêndulo, para medir a velocidade em diferen- tes posições, durante a oscilação, A fim de com- parar a energia cinética e a energia potencial, devemos tomar o cuidado de expressá-las nas mesmas unidades — por exemplo, em joules. Suspenda um corpo pesado, tal como um ti- jolo, numa corda comprida, presa num suporte rígido. O pêndulo deverá ter, no mínimo, 2 me- tros de comprimento, Meça o comprimento do pêndulo a partir do ponto de suspensão ao cen- tro do tijolo. Coloque um marcador de tempo aproximadamente ao nível do ponto mais baixo da trajetória (Fig. 29). Puxe o tijolo para o lado, não mais do que 15º a partir da vertical, e mantenha-o nesta posição com um barbante, de forma que a linha de ação da fôrça do bar- bante passe pelo centro de gravidade do tijolo. Fios de sustentação Fio de sustentação Direção do fio através do centro de gravidade Marcador de tempo Fita registradora Fig. 29 Faça funcionar o marcador de tempo e solte o barbante. O tijolo oscilará, puxando a fita e registrando suas posições em intervalos suces- sivos de tempo. (Peça ao seu companheiro que segure o tijolo imediatamente depois que êle co- meçar a voltar, no fim de sua primeira osci- lação). Levando em consideração os dados registrados na fita e a calibração do marcador de tempo em segundos, faça um qto da distância percor- a pelo tijolo em função do tempo, medindo a distância a partir da posição de equilíbrio do pêndulo. Valendo-se dos dados de seu gráfico, deter- mine a velocidade do tijolo para, no mínimo, oito posições diferentes, Desde que você co- nheça a velocidade e a massa do tijolo, você pode calcular a energia cinética do pêndulo em qualquer posição. (Quais são as unidades de energia se você usa o tijolo como unidade de massa? Quais são elas se você mede a massa do tijolo em quilogramas?). Faça um gráfico da energia cinética =. pêndulo em função da po- sição. Em que ponto é mínima a energia ciné- tica? E em que ponto é máxima? Como varia a energia potencial com a posição do tijolo? Para descobri-lo, precisamos conhecer as alturas até as quais o tijolo foi erguido. Existe uma relação simples entre a distância ho- rizontal percorrida pelo tijolo e a altura à qual êle foi levantado. Chamando de L o compri- mento do pêndulo, x seu deslocamento horizon- tal a partir da posição de equilíbrio, e h sua altura acima da posição de repouso, você pode demonstrar que h = x2/2 L, desde que x, seja pequeno relativamente a L (Veja as observa- ções na fórmula dos fabricantes de lentes, Par- te Ie Pg: 373). Qual é a energia potencial do pêndulo nas posições para as quais você cal- culou a energia cinética? Represente a energia potencial no mesmo gráfico no qual representou a energia cinética, Compare as variações da energia potencial com as variações da energia cinética. Repre- sente, em seu gráfico, a soma das duas energias. Está você seguro de que usou as mesmas unida- des para ambas? Que conclusão você pode tirar relativamente à soma das energias potencial e cinética do pêndulo? Por que restringimos a oscilação do pêndulo a 15º ou menos, a partir da vertical? Poderia GUIA DE LABORATÓRIO 185 você realizar esta experiência com oscilações maiores? Como determinaria, neste caso, a ener- gia potencial? Esperaria você que, neste caso, a soma das duas energias fósse constante? Por que foi desnecessário medir a massa do tijolo a fim de comparar as energias cinética e potencial? HI — 14. Uma Colisão Frontal. A finalidade desta experiência é investigar as variações de quantidade de movimento e de energia cinética, resultantes de uma colisão entre um carrinho em movimento e um carrinho pa- rado. A Fig. 30 mostra a disposição do aparêlho. Coloque o carrinho parado perto da metade da mesa, de forma que ambos os carrinhos possam percorer distâncias suficientemente longas, e se possa obter medidas precisas de suas velocidades, antes e depois da colisão, Registre o movimento nas fitas, usando com- binações diferentes de massas nos carrinhos, mas tenha sempre, no mínimo, um tijolo no carrinho mais leve. Por que é necessário ter no carrinho inicialmente em movimento uma massa igual ou maior que a massa no carrinho parado? Faça um gráfico da velocidade de cada carrinho em função do tempo, Considerando o puto, uais são as velocidades dos car- rinhos imediatamente antes e imediatamente depois da colisão? Ainda a partir do gráfico pode você avaliar o tempo de duração da colisão? Determine, agora, a quantidade de movi- mento de cada carrinho antes e depois da colisão. Compare a soma das quantidade de movimento dos carrinhos antes da colisão com a soma das quantidades de movimento depois da colisão. Qua conclui você? Em que unidades expressou você as quantidades de movimento? Calcule a energia cinética dos carrinhos antes e depois da colisão. Permanece constante a energia cinética? O que poderia ser causa de perdas na energia cinética? Se dispuzer de tempo, repita a experiência removendo a mola aparadora e prendendo um objeto macio, como um apagador de qua- 186 GUIA DE LABORATÓRIO dro negro, à frente de um dos carrinhos indicam seus resultados relativamente à con- Registre o movimento nas fitas, e calcule a servação da “quantidade de movimento? E qe de movimento e a energia cinética relativamente à conservação da energia o sistema antes e depois da colisão. Que cinética? Dois discos de papel carbono ., entre as Fitas (faces pretas para fora) Fita do carrinho Fita do carrinho parado, em baixo ih Carrinho Carrinho em [ perádo as movimento = Fá Fig. 30
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